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1、Cache原理與地址映像機制重點Cache的工作原理Cache的基本結(jié)構(gòu)地址映像機制替換策略1.問題的提出避免CPU“空等”現(xiàn)象CPU和主存（DRAM）的速度差異程序訪問的局部性原理一、Cache的工作原理空間局部性時間局部性1.問題的提出避免CPU“空等”現(xiàn)象CPU和主存（DRAM）的速度差異緩存CPU主存容量小速度高容量大速度低一、Cache的工作原理字塊主存塊調(diào)入緩存主存塊與緩存塊建立了對應(yīng)關(guān)系標記記錄與某緩存塊建立了對應(yīng)關(guān)系的主存塊號命中未命中主存塊與緩存塊未建立對應(yīng)關(guān)系主存塊未調(diào)入緩存2.Cache的命中率(1)主存和緩存的編址主存和緩存按塊存儲塊
2、的大小相同B為塊長~~~~……主存塊號主存儲器012m－1字塊0字塊1字塊M－1主存塊號塊內(nèi)地址m位b位n位M塊B個字緩存塊號塊內(nèi)地址c位b位C塊B個字~~~~……字塊0字塊1字塊C－1012c－1標記Cache緩存塊號命中率命中率：CPU訪問cache的次數(shù)占總訪問次數(shù)的比例。設(shè)NC表示cache完成存取的總次數(shù)，NM表示主存完成存取的總次數(shù)，h為命中率，則有：h=NC/（NC+NM）若tC表示命中時的cache訪問時間，tm表示未命中時的主存訪問時間，則cache/主存系統(tǒng)的平均訪問時間ta為：ta=htc+（1-h）tm目標：以較小的硬件代價使cach
3、e/主存系統(tǒng)的平均訪問時間ta越接近tc越好，用e表示訪問效率表示。設(shè)tm/tc=r則有：e=tc/ta=1/(r+(1-r)h)命中率h越接近于1越好，r值以5～10為宜，不宜太大。3.Cache的讀操作訪問Cache取出信息送CPU訪問主存取出信息送CPU將新的主存塊調(diào)入Cache中執(zhí)行替換算法騰出空位結(jié)束命中？Cache滿？CPU發(fā)出訪問地址開始是否是否4.Cache的基本結(jié)構(gòu)Cache替換機構(gòu)Cache存儲體主存Cache地址映像變換機構(gòu)由CPU完成二、地址映射機制主存和緩存的編址~~~~……主存塊號主存儲器012m－1字塊0字塊1字塊M－1主存塊號
4、塊內(nèi)地址m位b位n位M塊B個字緩存塊號塊內(nèi)地址c位b位C塊B個字~~~~……字塊0字塊1字塊C－1012c－1標記Cache緩存塊號二、地址映像機制地址映像機制AC=f(AM)常用的地址映像方式直接映像方式全相聯(lián)映像方式組相聯(lián)映像方式二、地址映像機制1.直接相聯(lián)字塊2m－1字塊2c+1字塊2c+1－1字塊2c+1字塊2c字塊2c－1字塊1字塊0………主存儲體字塊1標記字塊0標記字塊2c－1標記Cache存儲體t位012c－1…字塊字塊地址主存字塊標記t位c位b位主存地址比較器（t位）=≠不命中有效位=1？*m位Cache內(nèi)地址否是命中字塊2c+1字塊2c字塊
5、0字塊0檢索過程：根據(jù)內(nèi)存地址中的t位標記與cache的標記位相比較，然后將塊地址與cache的塊地址相比較，判斷是否命中。特點：硬件實現(xiàn)簡單，成本低。但每個主存塊只有一個固定的行可以存放。當cache的行數(shù)較少時發(fā)生沖突的可能性很大，頻繁的置換會使cache的效率下降。直接映射方式一般用于大容量的cache中。二、地址映像機制1.直接相聯(lián)特點：主存地址塊映射到Cache的固定塊j＝imod(M)實現(xiàn)簡單空間利用率低，沖突概率高二、地址映像機制2.全相聯(lián)字塊2m－1字塊2c－1字塊1字塊0……字塊2c－1字塊1字塊0…標記標記標記主存字塊標記字塊內(nèi)地址主存地
6、址m=t+c位b位m=t+cCache存儲器主存儲器字塊0全相聯(lián)映射方式的檢索過程：CPU發(fā)出內(nèi)存地址的塊號部分（s位）與cache中所有行中的標記部分同時比較，若某行的標記與要訪問的塊號相同，命中，則再根據(jù)塊內(nèi)地址（b位）從該行中讀取相應(yīng)字；否則，未命中，則按內(nèi)存地址從主存中讀取一個字。優(yōu)點:靈活，cache可以得到充分利用。但當行數(shù)較多時要實現(xiàn)所有行中的標記部分同時參與比較，電路實現(xiàn)困難。全相聯(lián)映射方式一般用于小容量cache。二、地址映像機制2.全相聯(lián)特點：主存地址塊映射到Cache的任意塊空間利用率高，沖突概率低實現(xiàn)復(fù)雜二、地址映像機制3.組相聯(lián)字塊
7、2m－1字塊2c-r+1字塊2c-r+1字塊2c-r字塊2c-r－字塊1字塊0………字塊3標記字塊1標記字塊2c－1標記字塊2標記字塊0標記字塊2c－2標記…………字塊內(nèi)地址組地址主存字塊標記s=t+r位q=c－r位b位組012c-r－1主存地址Cache主存儲器m位共Q組，每組內(nèi)兩塊（r=1)1字塊0字塊1字塊0字塊2c-r字塊2c-r+1組相聯(lián)映射檢索過程：根據(jù)地址中的組地址找到cache的相應(yīng)組，然后將該組的標記部分與內(nèi)存地址的塊號同時比較，判斷是否命中。特點：組內(nèi)有一定的靈活性，而且因組內(nèi)行數(shù)的減少，比較的硬件電路比全相聯(lián)方式簡單些。組相聯(lián)映射的每組
8、的行數(shù)v一般取值較小，典型值為2，4，8，16。為強
